大規(guī)?；炻?lián)水電系統(tǒng)長(zhǎng)期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型及求解

本文提出了一個(gè)求解超大規(guī)模水電站群補(bǔ)償調(diào)節(jié)調(diào)度的“分級(jí)多層次法”優(yōu)化模型,該模型采用大系統(tǒng)遞階理論。應(yīng)用該模型和軟件研究了以三峽水電站為中心的跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的水電站群補(bǔ)償調(diào)節(jié)調(diào)度,其中最大的一個(gè)水電站群系統(tǒng)達(dá)117座水電站和73座長(zhǎng)期調(diào)節(jié)水庫(kù),總裝機(jī)容量達(dá)11386萬(wàn)kw。

根據(jù)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)的水文特征，提出了水電站水庫(kù)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度的非線(xiàn)性規(guī)劃模型，并提出了相應(yīng)的求解方法．算例結(jié)果表明，模型正確，具有實(shí)用價(jià)值．

根據(jù)梯級(jí)水電站水庫(kù)來(lái)水特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn),提出一種在一年中從汛期和非汛期兩個(gè)時(shí)間段分別建立不同的多目標(biāo)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度模型,采用線(xiàn)性加權(quán)法和外點(diǎn)罰函數(shù)法將含約束條件多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束單目標(biāo)問(wèn)題,應(yīng)用粒子群算法(pso)進(jìn)行求解.算例表明了該模型的正確性和求解方法的可行性,為梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度提供了一種更全面、具體的模型.

在建立混聯(lián)水電站群長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用混沌優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解。以水電站群總電能最大為目標(biāo)函數(shù),根據(jù)混沌運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性,由logistic模型產(chǎn)生的混沌變量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化搜索。此方法可避免陷入局部最優(yōu)點(diǎn),并取得全局最優(yōu)。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明,混沌優(yōu)化算法與逐步優(yōu)化算法相比,優(yōu)化結(jié)果良好。表明本文算法可以用于求解具有復(fù)雜約束條件的非線(xiàn)性混聯(lián)水電站群水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。

我國(guó)水電系統(tǒng)高速發(fā)展使得單一電網(wǎng)集中調(diào)度的水電站規(guī)模超過(guò)100座甚至200座,如此大規(guī)模水電系統(tǒng)調(diào)度亟需切實(shí)可行可用的應(yīng)用系統(tǒng)支撐,以高效科學(xué)地完成電網(wǎng)日常發(fā)電調(diào)度分析和計(jì)劃編制工作。以水電富集的云南電網(wǎng)為例,從工程實(shí)用性出發(fā),通過(guò)系統(tǒng)性架構(gòu)設(shè)計(jì),采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)集群協(xié)同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理技術(shù)、大規(guī)模發(fā)電調(diào)度約束條件分類(lèi)批量處理技術(shù)、調(diào)度報(bào)表可視化定制技術(shù),開(kāi)發(fā)了水電富集電網(wǎng)大規(guī)模電站群發(fā)電調(diào)度系統(tǒng),并于2016年4月在云南電網(wǎng)得到了成功應(yīng)用(包含水電站150余座),自系統(tǒng)投運(yùn)后,顯著提高了發(fā)電調(diào)度結(jié)果的可行性和發(fā)電計(jì)劃編制效率。

針對(duì)傳統(tǒng)的水電綜合效益最大優(yōu)化調(diào)度模型存在的\"平均水價(jià)值\"問(wèn)題,提出了一種基于分時(shí)電價(jià)的混聯(lián)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度改進(jìn)模型,綜合考慮了分時(shí)電價(jià)中的日用電時(shí)段差別電價(jià)(即峰谷電價(jià)),加入了調(diào)整當(dāng)前蓄水價(jià)值系數(shù)的動(dòng)態(tài)因子,并通過(guò)研究混聯(lián)水庫(kù)的串并聯(lián)關(guān)系以及上下游水庫(kù)之間的影響,在計(jì)算蓄水價(jià)值時(shí),能夠充分考慮水庫(kù)間的潛在蓄水價(jià)值,從而引導(dǎo)發(fā)電流量根據(jù)電價(jià)的升降而相應(yīng)改變,提升整個(gè)流域的總體效益.最后運(yùn)用均勻搜索粒子群算法對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算,并將結(jié)果與傳統(tǒng)的發(fā)電效益最大模型以及綜合效益最大模型進(jìn)行對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)改進(jìn)模型能更好適應(yīng)現(xiàn)代峰谷電價(jià)的市場(chǎng),提高了水電站的綜合經(jīng)濟(jì)效益,更符合水電站調(diào)度的需求.

為了能夠使水電站開(kāi)發(fā)運(yùn)行與生態(tài)和諧發(fā)展,研究滿(mǎn)足生態(tài)需要的水電站優(yōu)化調(diào)度.通過(guò)對(duì)水電站生態(tài)調(diào)度內(nèi)涵的探討,建立了生態(tài)發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型.模型以水量指標(biāo)量化水電站調(diào)度的效益函數(shù),在處理多目標(biāo)時(shí)采用權(quán)重系數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)化.以蒲石河抽水蓄能電站為例,利用遺傳算法進(jìn)行求解驗(yàn)算,通過(guò)綜合考慮年均發(fā)電量及各方案中下游河道生態(tài)用水的需求,選擇出較優(yōu)的方案.研究結(jié)果表明文中構(gòu)建的模型是合理的,對(duì)生態(tài)環(huán)境起一定的改善作用.

針對(duì)西南水電富集地區(qū)大小水電搶占輸電通道外送電力的問(wèn)題,構(gòu)建了基于決策樹(shù)的大中型水電與小水電長(zhǎng)期協(xié)調(diào)調(diào)度模型,以水電總體可消納電量最大為目標(biāo),以確定性逐次優(yōu)化方法(poa)對(duì)歷史長(zhǎng)系列水文資料進(jìn)行模擬調(diào)度,在此基礎(chǔ)上采用決策樹(shù)挖掘大小水電長(zhǎng)期協(xié)調(diào)調(diào)度規(guī)則,在應(yīng)用階段,結(jié)合cfs降雨預(yù)報(bào)信息,預(yù)報(bào)大中型水電站徑流和小水電發(fā)電能力,并作為決策樹(shù)輸入,以獲得面臨時(shí)段大中型水電站的決策出力。云南省德宏地區(qū)大規(guī)模大、小水電混合分區(qū)實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明,該模型能夠有效利用具有良好調(diào)節(jié)能力的大中型水電站協(xié)調(diào)大小水電運(yùn)行,提高外送通道利用率,為電力調(diào)度部門(mén)提供了一種良好的大小水電長(zhǎng)期協(xié)調(diào)調(diào)度方法。

水電站水庫(kù)群長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)化模型及其應(yīng)用,是根據(jù)系統(tǒng)工程的思想,應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃的方法建立起來(lái)的。它可進(jìn)行梯級(jí)水電站水庫(kù)群和跨流域水電站水庫(kù)群的長(zhǎng)期運(yùn)行的優(yōu)化。應(yīng)用這一模型和方法,可大幅度提高水電站群的發(fā)電效益。

根據(jù)梯級(jí)水電站不僅具有電力聯(lián)系而且具有水力聯(lián)系的運(yùn)行特點(diǎn),提出一種以年發(fā)電量和一級(jí)水電站耗水量為優(yōu)化目標(biāo)的梯級(jí)水電站多目標(biāo)長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度模型。通過(guò)定義各目標(biāo)的隸屬度函數(shù),將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題模糊化;采用最大模糊滿(mǎn)意度法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題;應(yīng)用協(xié)調(diào)粒子群算法(cpso)求解單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。仿真驗(yàn)證了模型的正確性和求解方法的可行性,為梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度提供了一種新穎有效的途徑。

對(duì)國(guó)際上短期水電調(diào)度中采用的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述,簡(jiǎn)述了部分方法的基本思想,分析了各種優(yōu)化方法在短期水電優(yōu)化調(diào)度中的特點(diǎn),并探討了深入研究的難點(diǎn)和可能的方法。

在電力市場(chǎng)環(huán)境下,水電站短期優(yōu)化調(diào)度作為優(yōu)化發(fā)電計(jì)劃、指導(dǎo)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)的重要環(huán)節(jié),在水電站生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。目前,短期優(yōu)化研究常側(cè)重于提高算法的精度和計(jì)算速度,而忽略了短期優(yōu)化調(diào)度模型本身的合理性和準(zhǔn)確性。如短期優(yōu)化調(diào)度模型中的出力系數(shù)計(jì)算問(wèn)題的研究就很少,而它都是影響短期優(yōu)化調(diào)度計(jì)算精度的重要因素。為此,提出了廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為短期優(yōu)化調(diào)度提供出力系數(shù)的思想。該方法能提高出力系數(shù)的精度,從而達(dá)到改善短期優(yōu)化調(diào)度精度的目的,同時(shí)它不會(huì)增加短期優(yōu)化調(diào)度的計(jì)算量,因此具有一定的實(shí)用價(jià)值。

水力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)模型精度失配、缺乏合理全面的水機(jī)電數(shù)學(xué)模型是制約水電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真質(zhì)量提高和應(yīng)用范圍擴(kuò)展的主要原因。本文建立了適用于水機(jī)電聯(lián)合仿真的詳細(xì)水機(jī)電整體模型,該模型包括基于管道結(jié)構(gòu)特征自動(dòng)建立的復(fù)雜水系統(tǒng)彈性水擊模型,差動(dòng)式、阻抗式和圓筒式調(diào)壓井通用模型,水輪機(jī)非線(xiàn)性解析模型,調(diào)速器模型,計(jì)及阻尼繞組作用的同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)模型,勵(lì)磁系統(tǒng)模型等,提出了聯(lián)合求解彈性水擊波過(guò)程和并網(wǎng)機(jī)組機(jī)電動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)值算法。對(duì)具有復(fù)雜水系統(tǒng)的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)短路擾動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真,結(jié)果合理可信,證實(shí)了水機(jī)電數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法的有效性。

針對(duì)大規(guī)模跨流域供水水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度中調(diào)水、引水、供水三者之間的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不確定性的特點(diǎn),在二層規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用博弈論原理,建立跨流域水庫(kù)群供水調(diào)度規(guī)則的三層規(guī)劃模型,提出調(diào)水規(guī)則、引水規(guī)則和供水規(guī)則相結(jié)合的跨流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則,從深層次揭示跨流域供水水庫(kù)群之間的主從遞階層次的獨(dú)立性及相互關(guān)聯(lián)性;并應(yīng)用基于免疫進(jìn)化的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行分層優(yōu)化求解。以灤河下游跨流域水庫(kù)群為對(duì)象進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果表明：1減少了水量損失,提高了水資源的利用率;2提高了供水區(qū)唐山、天津的供水保證率,降低了缺水破壞深度。

針對(duì)大規(guī)?？缌饔蚬┧畮?kù)群聯(lián)合調(diào)度中調(diào)水、引水、供水三者之間的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不確定性的特點(diǎn),在二層規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用博弈論原理,建立跨流域水庫(kù)群供水調(diào)度規(guī)則的三層規(guī)劃模型,提出調(diào)水規(guī)則、引水規(guī)則和供水規(guī)則相結(jié)合的跨流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則,從深層次揭示跨流域供水水庫(kù)群之間的主從遞階層次的獨(dú)立性及相互關(guān)聯(lián)性;并應(yīng)用基于免疫進(jìn)化的粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行分層優(yōu)化求解。以灤河下游跨流域水庫(kù)群為對(duì)象進(jìn)行研究,計(jì)算結(jié)果表明：1減少了水量損失,提高了水資源的利用率;2提高了供水區(qū)唐山、天津的供水保證率,降低了缺水破壞深度。

以發(fā)電效益最大為目標(biāo)建立了基于發(fā)電權(quán)交易的梯級(jí)水電站中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型,并以清江梯級(jí)水電站為例,運(yùn)用三角旋回算法分別對(duì)豐水年、枯水年進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,取得了較好的效果.與傳統(tǒng)的以發(fā)電總量最大為目標(biāo)的調(diào)度方法相比,該調(diào)度方式可以實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站發(fā)電總效益最大,增加發(fā)電總效益.還具體分析了這兩種調(diào)度過(guò)程,并給出了基于發(fā)電權(quán)交易下的梯級(jí)水電站調(diào)度模型能有更好的收益的原因,即避免了與他人分享屬于自己的合約電量效益,抓住了轉(zhuǎn)讓發(fā)電權(quán)與受讓發(fā)電權(quán)價(jià)格的差異,合理調(diào)配了水資源.

本文根據(jù)逐次漸近法(dpsa)的思想,把n庫(kù)問(wèn)題分解為在每次迭代中求解單庫(kù)問(wèn)題,進(jìn)而求解了一個(gè)水庫(kù)群長(zhǎng)期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。本方法還可以考慮徑流的時(shí)空相關(guān)性,使所求水庫(kù)的最優(yōu)放水策略是該庫(kù)蓄水量和其它電站總出力的函數(shù)。該方法被用于求解廣東電力系統(tǒng)七庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度取得了滿(mǎn)意的數(shù)值結(jié)果。

分析影響隧道長(zhǎng)期安全的結(jié)構(gòu)因素和環(huán)境條件因素,并根據(jù)有關(guān)規(guī)范,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案。根據(jù)監(jiān)測(cè)方案建立隧道長(zhǎng)期安全評(píng)價(jià)模型。其中,對(duì)于隧道結(jié)構(gòu),基于單指標(biāo)安全等級(jí)評(píng)價(jià)建立隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全的多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)模型,并引入6位5進(jìn)制數(shù)作為隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全狀況綜合評(píng)分,與安全等級(jí)評(píng)價(jià)相結(jié)合,更加詳實(shí)地反映了隧道結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于環(huán)境條件,應(yīng)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重,梯形分布隸屬函數(shù)計(jì)算指標(biāo)隸屬度,建立隧道運(yùn)營(yíng)安全的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。最后,將監(jiān)測(cè)方案和評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于重慶嘉華隧道,取得良好的效果。

隨著我國(guó)新一輪電改不斷推進(jìn),流域梯級(jí)水電參與電力市場(chǎng)成為大勢(shì)所趨。如何在市場(chǎng)環(huán)境下安排梯級(jí)水電出力計(jì)劃、合理組織參與各類(lèi)交易,促進(jìn)水電大范圍消納成為亟需解決的問(wèn)題。該文探討了梯級(jí)水電參與現(xiàn)貨市場(chǎng)及合約市場(chǎng)的交易框架,并對(duì)現(xiàn)貨交易及跨價(jià)區(qū)合約交易面臨的風(fēng)險(xiǎn)聚焦分析;構(gòu)建雙層優(yōu)化模型：上層為中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度層,根據(jù)徑流和交易價(jià)格預(yù)測(cè),及調(diào)度規(guī)律制定梯級(jí)水電站出力計(jì)劃,挖掘水電效益空間;下層為電量分配風(fēng)險(xiǎn)決策層,組織各時(shí)段電量計(jì)劃參與多種交易,采用多時(shí)段條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值模型度量交易組合的價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)及跨價(jià)區(qū)交易阻塞風(fēng)險(xiǎn),尋求收益和風(fēng)險(xiǎn)的合理決策。最后,以烏江干流“4庫(kù)7梯級(jí)”水電系統(tǒng)為例,模擬市場(chǎng)交易場(chǎng)景驗(yàn)證所提模型和方法的有效性,為梯級(jí)水電站參與電力市場(chǎng)調(diào)度決策和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

在現(xiàn)有的水電站群長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,從實(shí)際問(wèn)題的物理意義出發(fā),提出了一種基于多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的水電站群(以?xún)蓭?kù)并聯(lián)為實(shí)例)長(zhǎng)期隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度的余留效益統(tǒng)計(jì)迭代法(nnrbsi)。該算法僅利用庫(kù)群隨機(jī)來(lái)水的樣本均值和樣本協(xié)方差矩陣信息,即可進(jìn)行水電站群長(zhǎng)期隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度。

研究在分時(shí)電價(jià)制度下水電系統(tǒng)短期優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,建立了優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型。采用變分原理,導(dǎo)出其最優(yōu)性條件,給出了適于梯級(jí)水電系統(tǒng)的最優(yōu)性條件的具體形式。通過(guò)分析水電站水價(jià)的估計(jì)式,得到了具有普遍適用性的、形式統(tǒng)一的最優(yōu)性條件。特例分析說(shuō)明所提模型具有廣泛的適用性。

以發(fā)電量最大為優(yōu)化調(diào)度目標(biāo),同時(shí)按照生態(tài)調(diào)度要求設(shè)置最小下泄流量作為發(fā)電引用流量的約束條件,建立了農(nóng)村水電生態(tài)調(diào)度模型。利用電站豐水年、平水年和枯水年的典型徑流,采用文化進(jìn)化算法求解數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度仿真,仿真結(jié)果說(shuō)明,單一地追求發(fā)電量最大的數(shù)學(xué)模型有下游斷流的危險(xiǎn),而在模型的約束條件中限制發(fā)電引用流量,能夠滿(mǎn)足生態(tài)調(diào)度要求。無(wú)論是枯水年、平水年還是豐水年,優(yōu)化調(diào)度保證了水庫(kù)均實(shí)現(xiàn)相似的水位曲線(xiàn),且不存在棄水的現(xiàn)象。